宇宙大爆炸后大约37万年，宇宙经历了一段宇宙学家称之为“宇宙黑暗时代”的时期。在这一时期，宇宙被炽热的致密等离子体所遮蔽，遮住了所有的可见光，使天文学家看不到它。当第一批恒星和星系在接下来的几亿年中形成时，它们发出的辐射使这一等离子体电离，使宇宙变得透明。
目前最大的宇宙学谜团之一就是“宇宙再电离” 是何时开始的。为了找出答案，天文学家们一直在向宇宙深处以及更远的时间观察，以发现第一批可见的星系。英国伦敦大学学院天文学家团队已经观测到一个发光的星系，它在130亿年前正在对星系间介质进行电离。
伦敦大学学院博士，这项研究的主要作者罗曼·梅耶尔在欧洲天文学会年会上分享了这项研究成果，这是130亿年前完成宇宙电离的第一个坚实证据。
可观测的宇宙
研究宇宙早期这个时期存在的星系，对于理解宇宙的起源以及随后的演化至关重要。根据我们目前的宇宙学模型，第一批星系是由凝聚的恒星团形成的，而恒星团又是宇宙中第一批恒星聚集在一起时形成的。
随着时间的推移，这些星系喷射出的辐射使星系间介质（IGM）中的中性气体失去了电子，也就是电离过程。天文学家知道这一点，因为我们有明确的证据，以宇宙黑暗时代的形式和今天宇宙的透明方式。但这一切是如何发生的，何时发生的，这些关键问题仍然是未知的。
梅耶尔博士说：“通过观察遥远的星系，我们看到了早期的宇宙，因为光在到达我们之前已经旅行了数十亿年。这很奇妙，因为我们可以看到数十亿年前的星系是什么样子的，但它也有几个缺点。”
哈勃成像中的星系A370p_z1和放大图像
首先，遥远的天体非常微弱，只能用最强大的地基和天基望远镜来观测。在这个距离上，还有一个棘手的问题就是红移，宇宙的膨胀导致来自遥远星系的光的波长向光谱的红色端延伸。
在几十亿年前的星系的情况下，光已经被移动到只有可见的红外线的地步。为了看清A370p_z1这个130亿光年外的发光星系，梅耶博士团队查阅了来自哈勃前沿领域计划的数据。
梅耶尔博士说，哈勃数据表明，这个星系的红移非常大，说明它特别古老。然后他们用甚大望远镜（VLT）进行了后续观测，以更好地了解这个星系的光谱。他们特别寻找了电离氢所发出的亮线，也就是所谓的莱曼·阿尔法线。
梅耶尔博士表示，最大的惊喜是发现探测到的线是一条双线。这在早期星系中是极其罕见的，这只是我们所知道的第四个在前十亿年中拥有双莱曼·阿尔法线的星系。双莱曼·阿尔法线的好处是，科学家可以用它们来推断早期星系的一个非常重要的量：它们泄漏到星系间介质中的高能光子有多少。
莱曼·阿尔法线
另一个大的惊喜是，A370p_z1似乎把60%到100%的电离光子放进了星系间空间，很可能是它周围的气泡星系间介质被电离的原因。离银河系较近的星系，逃逸分率通常为5%左右，在一些罕见的情况下为50%，但对星系间介质的观测表明，早期星系的逃逸分率平均在10-20%。
这一发现极为重要，因为它可以帮助解决宇宙学界正在进行的一场争论。直到现在，关于何时以及如何发生电离的问题，已经产生了两种可能的情况。一种，是众多微弱星系的群体泄露了大约10%的高能光子。在另一种情况下，它是由发光星系组成的 "寡头星系"，其泄漏光子的比例要大得多，50%或更多。
无论哪种情况，迄今为止的证据都表明，第一批星系与今天的星系截然不同。梅耶尔博士说：“发现一个几乎100%逃逸的星系真的很好，因为它证实了天体物理学家的推测，即，早期星系与现在的天体非常不同，而且泄漏高能光子的效率更高。”
研究电离时代星系的莱曼·阿尔法线一直都很困难，因为它们被中性气体所包围，而中性气体会吸收这种标志性的氢气发射。然而，现在有强有力的证据表明，在大爆炸后8亿年，电离已经完成，而且很可能是几个发光的星系造成的。
很可能是几个发光的星系造成宇宙大爆炸后的电离
如果梅耶尔博士和他的同事所观察到的是典型的再电离时代星系，那么我们可以假设，再电离是由一小群星系造成的，这些星系周围产生了大量电离气体的气泡，这些气泡不断增长和重叠。正如梅耶尔博士所解释的那样，这一发现可以为创建一个新的宇宙学模型指明方向，该模型可以准确地预测早期宇宙中的重大变化是如何以及何时发生的。
这一发现证实了早期星系可能极其高效地泄露电离光子，这是我们理解 "宇宙再电离 "的一个重要假说。
梅耶尔博士称，需要找到更多像A370p_z1这样的天体，这样天文学家就可以确定早期星系的平均逃逸系数。与此同时，下一步将是确定为什么这些早期星系在泄漏高能光子方面如此高效。已经提出了几种方案，而更好地观察早期宇宙将使天文学家能够测试它们。
这在很大程度上将取决于将很快登上太空的下一代望远镜。其中最引人注目的是詹姆斯·韦伯太空望远镜，在多次推迟后，它仍计划在明年某个时候发射。
宇宙的大爆炸时间线
梅耶尔博士说：“通过詹姆斯·韦伯太空望远镜，我们将在红外深处跟踪这个目标，以获得最初在光学光中发射的东西，这将使我们更深入地了解早期星系中的物理机制。”